Verbesserung der Resistenz von Winterraps (Brassica napus L.) gegen Verticillium longisporum

Abstract

Der in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegene Bedarf an Rapsöl im Food- und Non-Food-Bereich und die damit verbundene Ausweitung des Winterrapsanbaus hat in Mittel- und Nordeuropa zu einem verstärkten Auftreten des bodenbürtigen Pathogens Verticillium longisporum geführt, wodurch sich die sog. krankhafte Abreife als neue wichtige Krankheit im Rapsanbau etablieren konnte. Im Genpool von Brassica napus ist bislang keine Resistenz gegen V. longisporum bekannt. Deshalb sollten im Rahmen dieser Arbeit zunächst B. rapa- und B. oleracea-Genbankherkünfte hinsichtlich ihres Resistenzverhaltens gegenüber V. longisporum untersucht werden, um resistente Eltern für interspezifische Hybridisierungen auszuwählen. Über Kreuzungen zwischen resistenten B. rapa- und B. oleracea-Genotypen sollten anschließend die in den Ausgangsarten identifizierten Resistenzen in neuartige Rapsformen (Resyntheseraps) und somit in den B. napus-Genpool transferiert werden. Mithilfe von Resistenztests konnte bei den B. rapa-Akzessionen 13444, G454 (beides Chinakohl) und einer blütenblattlosen Rübsenlinie ein moderat-resistenter Phänotyp festgestellt werden. Zusätzlich zu einigen bereits in der Literatur beschriebenen resistenten B. oleracea-Akzessionen wurde die russische Weißkohlsorte Kashirka 202 (Akzessionsnummer 1428) als neue C-Genom-Quelle für V. longisporum-Resistenz identifiziert. Nach interspezifischen Kreuzungen dieser putativ resistenten Ausgangslinien konnten zahlreiche Resynthesen identifiziert werden, die nach künstlicher Inokulation mit V. longisporum signifikant weniger Krankheitssymptome zeigten als die tolerant eingestufte Referenzsorte "Express". Insbesondere zeichneten sich einige weitere Resyntheselinien aus der Kreuzung B. rapa 56515 (Chinakohl "He Tou Zao") x B. oleracea 8207 (syrische Wildkohlsammlung) durch eine ausgeprägte Resistenz aus. Eine sehr gute V. longisporum-Resistenz wurde ebenfalls in Resynthesen aus Kreuzungen zwischen Kashirka 202 und Ölrübsenlinien mit 00- bzw. 0+-Qualität festgestellt. Aufgrund genetischer Variation für Erucasäuregehalt in Kashirka 202 zeichneten sich einige dieser Resistenzträger auch durch weitgehend erucasäurefreies Öl, manche zusätzlich durch einen moderaten Samenglucosinolatgehalt aus. Diese Kombination von Verticillium-Resistenz mit 0+-Qualität stellt ausgesprochen wertvolles Material für Rückkreuzungen mit Elitezuchtmaterial dar. Um die genetische Basis der Resistenz zu beleuchten und einen ersten Schritt zur Entwicklung von Werkzeugen für eine markergestützte Selektion zu machen, wurde erstmals eine QTL-Analyse (quantitative trait loci) für V. longisporum-Resistenz in B. napus durchgeführt. Hierfür wurde in einer für V. longisporum-Resistenz spaltenden doppelhaploiden (DH) Population eine genetische Kopplungskarte anhand von AFLP- (amplified fragment length polymorphism), SSR- (simple sequence repeat) und RFLP- (restriction fragment length polymorphism) Markern erstellt und signifikante Resistenz-QTL aufgrund von Daten aus künstlichen Inokulationen der DH-Linien mit V. longisporum-Isolaten in vier Gewächshausexperimenten ermittelt: Insgesamt konnten vier signifikante QTL identifiziert werden, die zusammen 45,7% der phänotypischen Varianz für V. longisporum-Reaktion in dieser Kreuzung erklärten. Für die Entwicklung von molekularen Markern zum Einsatz für eine markergestützte Selektion eignen sich insbesondere zwei Resistenz-QTL auf den Chromosomen N14 und N15, die in mehreren unabhängigen Experimenten detektiert wurden und offenbar eine nur geringe Umweltinteraktion aufweisen,. Die entsprechenden Genomregionen und die mit den QTL eng gekoppelten Marker sollen in weiterführenden Arbeiten als Ausgangspunkt für vergleichende Analysen verschiedener Resistenzquellen verwendet werden. Ferner können sie für eine karten- und syntäniegestützte Klonierung der beteiligten Gene sowie zur Pyramidisierung unterschiedlicher Resistenzallele in neuen Winterrapssorten dienen. Increasing demand for rapeseed oil in recent decades has led to intensified cultivation of oilseed rape (Brassica napus) in Northern Europe. This in turn has resulted in multiplication of the soil borne pathogen Verticillium longisporum and consequently in a serious expansion of wilt disease on rapeseed. In the gene pool of existing B. napus cultivars no resistance resources for Verticillium wilt are known. In this work B. rapa and B. oleracea gene bank accessions were screened for resistance to V. longisporum in order to identify resistance sources for potential use in oilseed rape breeding. Interspecific hybridisation of resistant B. rapa and B. oleracea genotypes was then used to produce resynthesised B. napus lines, with the aim of introducing the new resistances into the gene pool of elite oilseed rape. Pathogen tests with artificial inoculation and visual scoring of the infection resulted in the identification of the B. rapa accessions 13444, G454 (both Chinese cabbage) and an apetalous B. rapa genotype which exhibited a moderate resistance to V. longisporum. In addition to previously described resistant B. oleracea germplasm, the Russian white cabbage variety Kashirka 202 (accession no. 1428) was identified as a new source of V. longisporum resistance. Interspecific hybridisations of these putative resistant genotypes resulted in numerous resynthesised rapeseed lines that exhibited significantly reduced disease symptoms in comparison to the tolerant winter oilseed rape reference variety "Express". Resynthesised rapeseed lines developed from hybridisations between B. rapa accession 56515 (Chinese cabbage "He Tou Zao") and B. oleracea accession 8207 (a Syrian wild cabbage collection) showed a particularly strong resistance phenotype. Very good V. longisporum resistance was also observed in resynthesised rapeseed lines derived from crosses of Kashirka 202 with oilseed B. rapa varieties exhibiting 00 or 0+ seed quality. Because Kashirka 202 was found to segregate for the presence/absence of erucic acid in the seed oil, many of the resistant resynthesised rapeseed lines were free of erucic acid, and some also possessed only moderate levels of seed glucosinolates. This combination of V. longisporum resistance with 0+ seed quality represents extremely valuable material for backcrossing with elite oilseed rape breeding lines. In order to investigate the genetics of V. longisporum resistance in B. napus, and as a first step towards the development of tools for marker-assisted selection, the first analysis of quantitative trait loci (QTL) for V. longisporum resistance in B. napus was performed. For this purpose a genetic linkage map was generated in a doubled haploid (DH) population segregating for the resistance, using amplified fragment length polymorphism (AFLP), simple sequence repeat (SSR) and restriction fragment length polymorphism (RFLP) markers. Resistance QTL were calculated using disease index data obtained from inoculations of the DH lines in four separate greenhouse experiments. Four QTL could be identified, which explain in total 45.7% of the phenotypic variance observed in the DH population. Two QTL on chromosomes N14 and N15 are of particular interest for further use in marker assisted breeding programs, because they were detected in several independent experiments and seem to exhibit only very few genotype-environment interactions. These two genome regions, and the markers that are closely linked to the respective QTL, will now form a basis for further studies aimed at comparative analyses of different resistance sources, map-based and synteny-based cloning of the responsible resistance genes, and for pyramiding of different resistance alleles in new winter oilseed rape varieties.